汽車排氣系統(tǒng)吊點布置研究

文新海+邱星

【摘 要】排氣系統(tǒng)通過法蘭和吊耳與分別與發(fā)動機排氣歧管及車身底板相連接，橡膠懸掛位置的合理布置能有效控制排氣系統(tǒng)振動能量傳遞至車身，利用平均驅動自由度位移（ADDOFD）方法，初步確定吊點的位置，并結合排氣系統(tǒng)及車身底板實際布置情況，進行了排氣系統(tǒng)吊點位置的設計。模擬發(fā)動機施加振動扭矩求解吊點傳遞力，結果表明，通過ADDOFD方法布置的懸掛位置是合理的，能滿足系統(tǒng)受力要求。

【關鍵詞】排氣系統(tǒng)；懸掛位置；動態(tài)力分析

0 引言

汽車排氣系統(tǒng)一般通過法蘭和吊耳分別與發(fā)動機排氣歧管及車身底板相連接。在汽車行駛中，排氣系統(tǒng)由于受到發(fā)動機振動和排氣激勵的影響會產(chǎn)生較大的振動，而振動能量通過橡膠吊耳和掛鉤傳遞給車身底板，引起車身振動并產(chǎn)生車內(nèi)噪聲[1]。因此如何降低排氣系統(tǒng)傳遞給車身底板的振動能量，減少車身的振動及噪聲水平，是排氣系統(tǒng)設計時需要重點關注的問題。

通過數(shù)值模型和試驗模態(tài)分析來優(yōu)化排氣系統(tǒng)的結構及選定排氣系統(tǒng)掛鉤吊耳的最佳懸掛位置是現(xiàn)代機械設計的有效方法。

1 模態(tài)分析及自由位移法理論

1.1 模態(tài)分析理論

ADDOFD（j）可用來預測自由度在一般激勵情況下的位移響應的相對大小。在模態(tài)試驗中的最佳懸掛位置由ADDOFD值的最小自由度給出，以此對排氣系統(tǒng)吊耳的懸掛點位置進行優(yōu)化選擇。

2 有限元模型搭建

進行排氣系統(tǒng)有限元建模時，由于排氣系統(tǒng)各單元基本為較薄的結構，故模擬時采用殼單元來劃分網(wǎng)格。鑒于橡膠吊耳以及波紋管結構材料特性的復雜性，需要在建模過程中對這些部件進行一定簡化處理[4]。綜合考慮作如下簡化：

1）波紋管主要起到位移補償和減振的作用，分析中一般采用零長度的彈簧單元（Cbush）代替波紋管，在局部坐標系中賦予測試剛度值。

2）橡膠懸掛主要起到利用其阻尼來減小振動的作用，一般把橡膠懸掛看作是線性彈簧。并考慮橡膠的阻尼作用，用零長度的彈簧單元（Cbush）來模擬橡膠吊耳，其剛度設定為采用測試值；

3）法蘭間的橡膠密封墊忽略，螺栓連接采用RBE2+Beam單元的方式模擬，用Cweld單元模擬焊縫連接法蘭與排氣管的殼網(wǎng)格。

4）原則是振動能量通過橡膠吊耳和掛鉤傳遞給車身底板最小，假定整車地板為剛體。

5）由于三元催化器的剛度較大，而且三元催化結構對稱，其質(zhì)心就是其幾何中心，因此三元催化器可以簡化為通過RBE3單元連接在其質(zhì)心施加CONM2集中質(zhì)量單元。

6）網(wǎng)格劃分時主要采用板殼單元，單元大小根據(jù)數(shù)模尺寸而定，一般采用4-6mm長度。網(wǎng)格劃分完成后，需檢查網(wǎng)格質(zhì)量和單元合并情況，網(wǎng)格各項指標需達到通用要求。

3 排氣系統(tǒng)吊鉤位置的確定

沿排氣管軸向，從連接排氣歧管的熱端排氣管到冷端將掛鉤潛在位置依次選點，點間距約為60mm，所選點數(shù)約55個。計算0～200Hz內(nèi)的所有自由模態(tài)，并將振型中這些位置的位移值輸出，用后處理程序提取該值并加權累加[5]。根據(jù)式（7）得出ADDOFD值（如圖1）。圖1上部分中橫坐標代表潛在吊點的編號，縱坐標代表吊點的位移矢量的加權值。根據(jù)平均驅動自由度位移理論，取加權振型指示位移較小者作為潛在布置位置。圖1下部分所示即是根據(jù)ADDOFD結果初步選取的懸掛點位置。同時需要結合車身地板、排氣系統(tǒng)管路的布置以及底盤安裝懸掛點的空間位置是否適合，適當調(diào)整初始選定的吊點位置。

4 分析驗證吊點布置的合理性

排氣系統(tǒng)所受激勵主要來自于發(fā)動機運轉抖動、排氣氣流的高頻激勵和路面不平整度等因素。排氣系統(tǒng)的吊鉤通過橡膠吊耳與車身底板相連，橡膠吊耳的軟硬特性保證了排氣系統(tǒng)的主要振動頻率的隔振效果。由于排氣系統(tǒng)為大跨度結構且通過波紋管的隔振，其對高頻的敏感沿長度方向上較小，因此主要考慮低頻段對排氣系統(tǒng)及車身地板的影響。排氣系統(tǒng)吊鉤動態(tài)力分析的有限元模型邊界定義如下：其一是動力總成懸置，它的一端與動力總成相連，另一端固定在車身或車架；其二是吊鉤的約束邊界，吊鉤一端與排氣系統(tǒng)相連，另一端固定在車身或車架。在發(fā)動機質(zhì)心施加沿排氣系統(tǒng)長度（X方向）的動態(tài)扭矩，分析通過掛鉤，排氣系統(tǒng)振動傳遞到車身上的動態(tài)支反力[6]。圖2響應曲線顯示了20～150Hz范圍內(nèi)的發(fā)動機振動，在30Hz左右出現(xiàn)最大峰值，最大值出現(xiàn)在尾管吊鉤，傳遞力為9.8N，小于目標值10N，滿足設計要求。

5 結束語

建立排氣系統(tǒng)有限元分析模型，并進行了相應簡化，采用平均驅動自由度位移法分析汽車排氣管吊掛點布置的合理位置，并進行動態(tài)力分析以驗證吊掛布置的合理性。分析結果表明，通過平均驅動自由度位移法選取的掛鉤位置受力較均勻，傳遞到車身的力小于在設計限值的范圍以內(nèi)，同時也表明采用ADDOFD方法，對提高產(chǎn)品開發(fā)效率，減少費用有很大作用。

【參考文獻】

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[3]劉志恩，田靜等.汽車排氣系統(tǒng)懸掛點布置研究[J].武漢理工大學學報，2010，32（6）：950-953.

[4]劉文川，張錫文，何楓.簡化有限元方法的波紋管模態(tài)分析[J].應用力學學報，2007，24（2）：289-293.

[5]田育耕，等.汽車排氣系統(tǒng)振動模態(tài)分析及懸掛點優(yōu)化[J].遼寧工程技術大學學報，2009，12.

[6]侯路，王海波，譚偉，于根穩(wěn).汽車排氣系統(tǒng)動態(tài)響應特性及強度分析[J].東風CAE學會專欄，2012.6.

[責任編輯：朱麗娜]endprint